Oxido de grafeno en el combustible para aviones

Emulsificación mejorada de óxido de grafeno reducido para la síntesis en un solo recipiente de combustible para aviones de alta densidad

Mayo 14, 2023 - 12:51
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Oxido de grafeno en el combustible para aviones

Los combustibles de alta densidad utilizados en la propulsión aeroespacial (es decir, aviones y cohetes) deben cumplir con una serie de especificaciones, como alta densidad para garantizar un alto impulso específico, bajo punto de congelación para evitar la formación de partículas de cera cristalina en condiciones frías y alta estabilidad térmica para garantizar la calidad del combustible bajo estrés térmico [1], [2]. Sin embargo, producir un combustible con alta densidad y un rendimiento deseable a baja temperatura no parece fácil. Afortunadamente, la mezcla de combustible puede equilibrar la propiedad a un nivel satisfactorio. Por ejemplo, JP-9, una mezcla de 20-25% de RJ-5, 65-70% de JP-10 y 10-12% de metilciclohexano, tiene una alta densidad de 0.94 g / ml y un bajo punto de congelación de -65 ° C que supera la mala propiedad de baja temperatura de RJ-5 (>0 ° C de punto de congelación) [3], [4]. Paralelamente, JP-900, una mezcla de combustible para aviones a base de carbón térmicamente estable con una temperatura JFTOT de hasta 482 °C, tiene buena densidad (0,87 g / ml) y bajo punto de congelación (-65 ° C) que contribuye al componente principal de la decalina, que tiene alta densidad, bajo punto de congelación y buena estabilidad térmica [5], [6]. Sin embargo, estos combustibles para aviones se sintetizan a partir de materias primas fósiles. Recientemente, con la preocupación por el desarrollo sostenible, el uso de productos químicos derivados de la biomasa como recursos alternativos para producir combustible para aviones ha atraído un intenso interés [7], [8], [9], [10], [11].

Entre los combustibles para aviones derivados de la biomasa, los primeros trabajos se centraron en alcanos de cadena recta y ramificada sintetizados a partir de compuestos de plataforma celulósicos y hemicelulósicos, pero los combustibles obtenidos tienen baja densidad (<0.78 g / ml) en comparación con el combustible convencional para aviones, como RP-3 [12], [13], [14], [15], [16], [17]. Luego se sintetizaron hidrocarburos monocíclicos ramificados, y su densidad sigue siendo inferior a 0.83 g / ml [18], [19], [20]. Basándose en el hecho de que los hidrocarburos policíclicos tienen mayor densidad, se utilizaron métodos de aumento de anillos (por ejemplo, condensación aldólica, hidroxialquilación/alquilación, cicloadición de Diels-Alder) y se sintetizaron una serie de hidrocarburos a distancia de combustible para aviones, como el biciclohexano (0,89 g/ml de densidad y 1,2 °C de punto de congelación) [21], biciclopentano (0,86 g/ml de densidad y −38 °C de punto de congelación [21], hidrocarburos derivados de trementina (0,94 g/ml de densidad y −30 °C del punto de fluidez) [22], perhidrofluoreno (0,96 g/ml de densidad y −15 °C del punto de congelación) [22] y diciclohexilo metano (0,88 g/ml de densidad y -20 °C del punto de congelación) [23]. No obstante, el hidrocarburo policíclico con alta densidad generalmente sacrifica buenas propiedades a baja temperatura, excepto algunos hidrocarburos policíclicos, como el ciclopentilciclohexano (0.88 g / ml de densidad y < −75 ° C de punto de congelación) [24], decalina (0.88 g / ml de densidad y -43 ° C de punto de congelación) [25], [26] y hidrocarobonos espiro (0.89 g / ml de densidad y -51 ° C de punto de congelación) [27], atribuido al anillo fundido para alta densidad y estructura asimétrica para bajo punto de congelación. En realidad, producir mezcla de combustible en una olla es más prometedor para obtener combustible con alta densidad y bajo punto de congelación. Por ejemplo, sintetizamos la mezcla de combustible para aviones (con alta densidad de 0.89 g / ml y bajo punto de congelación de -75 ° C) a partir de alquilación de una olla e hidrodesoxigenación de fenol y ciclopentanol con un rendimiento general del 83.9% [24]. Vale la pena señalar que la decalina ha sido confirmada como uno de los componentes térmicamente más estables de los combustibles para aviones, que también es el componente principal de JP-900 [5], [6]. La decalina generalmente se produce por hidrogenación de naftaleno, un producto del alquitrán de hulla y el petróleo, lo que limita drásticamente su accesibilidad. Recientemente, el grupo de Zhang sintetizó decalina con un rendimiento total de carbono de 47.1% y 65.3% utilizando derivados de biomasa ciclopentanol y ciclopentanoe como materia prima, respectivamente [28], [29]. Sin embargo, esta síntesis necesita operaciones de varios pasos, incluida la oligomerización/reordenación/hidrogenación y la hidrogenación/deshidratación/reordenamiento en reactores separados.

Anteriormente, desarrollamos un proceso de un solo recipiente para sintetizar decalinas ramificadas a partir de ciclopentanol y metilciclopentano usando H.2Así que4 como catalizador [30]. El combustible obtenido tiene una excelente propiedad de baja temperatura (<−110 °C de punto de congelación) y alta densidad (0,88 g/mL). Aunque el ácido sulfúrico concentrado es muy efectivo en esta reacción, el rendimiento de carbono es bajo como resultado de la formación de coque. En realidad, la emulsificación entre reactivos (metilciclopentano y ciclopentanol) y H2Así que4 no es suficiente, como resultado, el ciclopentanol contacta directamente con H2Así que4 para que se produzca deshidratación intensiva y polimerización. Se ha informado que la adición de tensioactivos a H2Así que4-sistema catalítico puede mejorar la emulsificación entre los reactivos y H2Así que4 para aumentar la dispersión de los reactivos, lo que restringe en gran medida la formación de coque en la alquilación de isobutano [31], [32], [33]. El óxido de grafeno (GO) es un emulsionante benigno que puede estabilizar las emulsiones de aceite en agua debido a su propiedad anfifílica [34]. Por ejemplo, Meng et al. utilizaron GO para mejorar la emulsificación de isobutano / buteno en H2Así que4 y mejorar la alquilación de isobutano y buteno [35].

Con estas consideraciones, para mejorar el rendimiento de carbono y la propiedad del combustible del trabajo anterior [30], en este trabajo utilizamos tres materiales de carbono típicos (grafeno, GO y rGO) para mejorar la emulsificación entre reactivos (ciclopentanol y metilciclopentano) y catalizador (H2Así que4) para contener la formación de coque. Cabe señalar que el ciclopentanol se puede producir a partir del furfural [36], [37], [38] y el metilciclopentano se puede producir a partir del 5-hidroximetil furfural o 5-metil furfural [39], [40]. Se encuentra que los materiales de carbono pueden mejorar la reacción, y rGO es el más efectivo. El rendimiento de carbono se mejoró de 75.0% a 83.2% con una selectividad tan alta como 97.3% al agregar rGO en H.2Así que4. Finalmente, se sintetizó una mezcla de alcanos bicíclicos y tricíclicos, de hidrocarburos C10 a C16, en una reacción de un solo recipiente con un rendimiento general del 71,8%. Con la ventaja de la mezcla [24], los hidrocarburos tricíclicos formados mejoran la densidad del combustible (0,90 g/ml), mientras que los hidrocarburos bicíclicos equilibran la propiedad de baja temperatura (<-72 °C del punto de congelación) y la estabilidad térmica (temperatura de inicio de oxidación inicial cercana a la decalina) a buen nivel (Esquema 1). Por lo tanto, la mezcla de combustible tiene un buen potencial como biocombustible de alta densidad, bajo punto de congelación y térmicamente estable.

Fragmentos de sección

Materiales

Todos los productos químicos (AR) se compraron comercialmente y se utilizaron tal como se recibieron, a menos que se indique lo contrario. El ácido sulfúrico (AR, 95%-98%) fue comprado a Tianjin Yuanli Chemical Co., Ltd.. N, N-dimetilformamida (AR), metilciclopentano (94%) y metilciclohexano fueron comprados a Shanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., Ltd.. El ciclopentanol y el etilciclohexano fueron comprados a Meryer (Shanghai) Chemical Technology Co., Ltd.. La vitamina C fue comprada a Shanghai Yuanye Biotechnology Co., Ltd..

Resultados y discusión

Según los espectros GC-MS de la mezcla líquida obtenida de H2Así que4-reacción catalítica de ciclopentanol y metilciclopentano (Fig. 1 y Fig. S1), la decalina sustituida por metilo (decalinas ramificadas C11) es el principal producto con selectividad del 63,9%, así como el 14,0% de decalina (C10), el 2,2% de dos decalinas sustituidas por metilo o un etilo (decalinas ramificadas C12), el 17,0% de alcanos tricíclicos (es decir, policicloalcanos C15 y C16) y el 2,9% de subproductos polimerizados. Similar al trabajo anterior,

Conclusión

En resumen, el rendimiento de carbono y las propiedades del combustible de la mezcla obtenida de H2Así que4-La reacción catalítica de un solo recipiente de ciclopentanol y metilciclopentano se mejora añadiendo rGO en la reacción. Debido al pequeño diámetro hidrodinámico y al ángulo de contacto medio con el agua, rGO aumenta el área interfacial de metilciclopentano, ciclopentanol con H2Así que4 y restringe la sobreoligomerización del ciclopentanol.

Fuente: Science Direct

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